基于巖體質(zhì)量評價的充填采場穩(wěn)定性分析

馬明輝 ，汪炳鋒

(1.錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引 言

目前，對巖體進(jìn)行質(zhì)量評價的方法有很多。國外在巖石質(zhì)量評價上研究比較早，最早的是蘇聯(lián)提出的普氏系數(shù)法，但是這種方法適用性具有局限性。1964年迪爾（Deer）提出了通過修正巖芯采取率的 RQD分類法劃分巖體質(zhì)量分級。巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和巖塊性質(zhì)的影響未被該分類法考慮，所以 RQD分類指標(biāo)一般不能全面反映巖體的實際質(zhì)量[1]，在之后比較完善的巖體質(zhì)量評價體系中，該指標(biāo)一般只是眾多考慮參數(shù)中的其中一個。陳偉提出運用可拓學(xué)理論建立巖體質(zhì)量評價模型，將其運用到水庫圍巖的分析中，用以較好的反應(yīng)水庫的工程穩(wěn)定性[2]。陳衛(wèi)忠基于修正的 BQ值對軟巖巷道擠壓變形進(jìn)行預(yù)測，驗證了該方法的合理性，研究成果也對高地應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)起到了指導(dǎo)作用[3]。張兆省等提出構(gòu)建灰色理論巖體質(zhì)量分級體系，將大量的樣本數(shù)據(jù)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，通過軟件分析得出擬合關(guān)系形成一定網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)特定網(wǎng)絡(luò)對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級[4]。

礦山巖體質(zhì)量是重要巖土體工程地質(zhì)特性的綜合反映，是巖體工程與回采方案制定的重要基礎(chǔ)[5-6]。

本文涉及的阿爾哈達(dá)公司在2014至2015年，曾對848 m中段27～33線間空場采礦法采場遺留頂柱進(jìn)行回采。圍巖體質(zhì)量直接關(guān)系到采場的穩(wěn)定安全及回采質(zhì)量，礦柱采場的巖體質(zhì)量對回采方案起到關(guān)鍵性作用。以728 m至568 m中段的充填采場的頂柱為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場實際的回采地質(zhì)條件與工程現(xiàn)狀，查閱前期地質(zhì)勘探報告所提供的資料，現(xiàn)場點荷載試驗中巖石試樣來自阿爾哈達(dá)鉛鋅礦720 m至925 m中段巖體及礦石，主要進(jìn)行不規(guī)則試樣的點荷載實驗。并結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗數(shù)據(jù)，得到礦區(qū)各地層的巖體抗拉強度和抗壓強度等力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行巖體質(zhì)量分級。利用 ShapeMetriX 3D對阿爾哈達(dá)鉛鋅礦788水平19線的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行信息統(tǒng)計，得到巖體傾向、傾角和走向等信息。最后依據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ值對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級，通過巖體質(zhì)量分級得到巖體的穩(wěn)定性。

1 巖體質(zhì)量評價方法

1.1 點荷載強度試驗

點荷載強度試驗裝置具有簡易化和便攜式特點，主要包括加載系統(tǒng)、載荷測量系統(tǒng)、距離測量系統(tǒng)，如圖1所示。點荷載試驗裝置可直接帶到礦山現(xiàn)場去做強度試驗，其工作原理和大型點荷載試驗機(jī)原理是相同的，只是提供的壓力不同，而且這種點荷載裝置對試件的形狀沒有嚴(yán)格要求。

1.2 ShapeMetrix系統(tǒng)

圖1 點荷載實驗儀器及其壓頭

ShapeMetriX 3D是奧地利3GSM公司生產(chǎn)的較先進(jìn)巖體幾何參數(shù)三維不接觸測量系統(tǒng)[7]，可以應(yīng)用到巖土工程方面，用來構(gòu)建巖體和巖體表面真三維數(shù)字模型，提供相應(yīng)軟件分析系統(tǒng)對三維數(shù)字模型進(jìn)行處理，來得到巖體結(jié)構(gòu)面節(jié)理數(shù)據(jù)，記錄實際巖體不連續(xù)面的空間位置和產(chǎn)狀、確定采礦場空間幾何形狀和危巖體穩(wěn)定性分析等[8]。

圖2所示為兩個圖像上相應(yīng)的點P(u, v)組成三維空間物體點P(x, y, z)，通過軟件分析可以得出任意地點傾角、傾向、長度、面積等幾何參數(shù)。

圖2 立體圖像合成原理

2 工程背景

錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司成立初期沿用民采時期的采礦法，主要為淺孔留礦法、階段礦房法等空場法，2014至2015年公司進(jìn)行了采礦方法自空場法向充填法的變革，目前采用上向水平分層充填、上向進(jìn)路充填采礦法回采，主要回采中段為728，688，648，608，568 m中段，768 m中段以上多為空場法采空區(qū)。

阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司充填法采場依據(jù)礦體走向進(jìn)行布置，采場走向長度100 m，采場階段高度40 m，主要采用脈內(nèi)布置充填井、順路架設(shè)泄水井、溜礦井的采準(zhǔn)形式，無間柱底柱，留設(shè)頂柱厚度 5 m。據(jù)統(tǒng)計，目前728 m至568 m中段頂柱礦量共計約28萬t，折合金屬量1.2萬t。對頂柱進(jìn)行回采，可提高綜合資源回采率，并增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司充填采場頂柱的上部情況，可將頂柱分為兩大類：

I類：上部為空場法采空區(qū)的頂柱，以 728 m中段采場的頂柱為代表，上部為768 m中段空場法空區(qū)。

II類：上部為充填采場人工假底的頂柱，人工假底采用膠結(jié)尾砂充填形成，總厚度 1.6 m（下層灰砂比1:6充填0.6 m，上層灰砂比1:10充填1.0 m），未配置鋼筋。

對于I類頂柱，因緊鄰上部空區(qū)，空區(qū)采后沒有得到及時處理，間頂柱巖石穩(wěn)定情況、空區(qū)塌落狀況，對頂柱回采方案及開采安全有一定的影響。對于II類頂柱，頂柱回采需要在上中段的人工假底下進(jìn)行回采，在人工假底自身強度因素的控制下，回采頂柱時假底有可能發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而引起上部充填體的垮塌，對開采安全構(gòu)成威脅[9]。

綜上所述，阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司充填采場頂柱的回采，面臨諸多不安全因素，做到既能安全回采礦柱，又能提高回采效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司亟需解決的問題。

3 巖體質(zhì)量評價

3.1 點荷載強度

現(xiàn)場點荷載試驗中巖石試樣來自阿爾哈達(dá)鉛鋅礦720 m至925 m中段巖體及礦石，主要進(jìn)行不規(guī)則試樣的點荷載實驗。現(xiàn)場取樣為不規(guī)則小塊圍巖和少量的礦石?，F(xiàn)場點荷載試驗共完成 18組，其中14組為圍巖（編號1-14），4組為礦石（編號15-18），每組根據(jù)試樣的多少，做15-30個不等的不規(guī)則塊體點荷載實驗。實驗數(shù)據(jù)見表1。

3.2 巖體表面結(jié)構(gòu)面信息獲取

以阿爾哈達(dá)鉛鋅礦788水平19線的結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計為例進(jìn)行說明，攝影點位置如圖3所示?，F(xiàn)場所獲取左視圖、右視圖如圖4所示，將左右兩視圖導(dǎo)入ShapeMetrix 3D軟件分析系統(tǒng)。在軟件中選定出重點測量區(qū)域，根據(jù)兩張圖像像素點匹配、前后圖像變形偏差糾正等一系列技術(shù)[10]，對三維模型進(jìn)行合成以及方位、距離的真實化，得到巖體表面的三維視圖（見圖5）。

表1 現(xiàn)場點荷載實驗結(jié)果

圖3 攝影測量點分布圖

在合成的三維圖上，根據(jù)巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，對巖體節(jié)理進(jìn)行結(jié)構(gòu)面分組。本次掃面的主要裂隙分布有兩組，即圖5中的紅色組和綠色組[11]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)面的空間布置，利用數(shù)理統(tǒng)計的方法對結(jié)構(gòu)面空間位置進(jìn)行計算，得出結(jié)構(gòu)面的面密度，最后利用經(jīng)驗公式計算得出結(jié)構(gòu)面的體密度Jv為7.23條/m3。

圖4 獲取的左、右視圖

圖5 合成三維圖

通過軟件處理分析得到兩組節(jié)理的傾向、傾角等結(jié)構(gòu)面基本信息。得到的節(jié)理赤平極射投影見圖6。

圖6 節(jié)理赤平極射投影

3.3 結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)生成

將實測跡長、傾向及傾角整理出的數(shù)據(jù)，繪制等密度直方圖，并對它們分別進(jìn)行概率分布擬合[12]，結(jié)果得到第一組節(jié)理的跡長、傾向、傾角呈正態(tài)分布，第二組節(jié)理的跡長、傾向呈負(fù)指數(shù)分布，傾角呈正態(tài)分布。

將表2中的基本節(jié)理信息導(dǎo)入到節(jié)理生成程序中。整理生成模型的區(qū)域、節(jié)理的組數(shù)以及每組的信息文件。將統(tǒng)計后的文件輸入節(jié)理裂隙生成系統(tǒng)，然后得到三維節(jié)理網(wǎng)絡(luò)分布的文件。在 Auto CAD 中加載節(jié)理裂隙顯示系統(tǒng)，選擇模型尺寸及參數(shù)，導(dǎo)入節(jié)理網(wǎng)絡(luò)分布文件，生成結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)圖。

表2 阿爾哈達(dá)鉛鋅礦結(jié)構(gòu)面信息匯總

在 AutoCAD中對模型進(jìn)行分析處理，可以得到模型的主視圖和左視圖。使用節(jié)理顯示系統(tǒng)對模型進(jìn)行剖切，得到模型頂面正方形兩條中線對應(yīng)的剖面圖。

從模擬生成的結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)圖、主視圖和左視圖以及模型剖面圖上，可以清楚地看出圍巖的節(jié)理發(fā)育情況，對圍巖表面及內(nèi)部的節(jié)理可以有較清楚地認(rèn)識。

本次巖體表面結(jié)構(gòu)面信息獲取地點為788水平19線（測點1～6）及740水平51線（測點7～9）共計9個測量點，通過掃描分析，結(jié)構(gòu)面信息匯總見表2。

4 巖體質(zhì)量分級

巖體質(zhì)量主要包括巖石的堅硬程度和巖體完整程度。巖體基本質(zhì)量滿足需求，則巖體穩(wěn)定性良好；反之，穩(wěn)定性較差。為了在礦柱回采工程與回采方案中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的情況和在穩(wěn)定性上的差別，需要根據(jù)巖體質(zhì)量做出合理分級，作為選擇巖體穩(wěn)定性參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評價礦柱回采效益的依據(jù)之一。

由巖體結(jié)構(gòu)面節(jié)理信息參數(shù)可計算巖體完整性系數(shù)，計算式如下：

本次分級采用的指標(biāo)依據(jù)是巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，該值基于103個典型工程為樣本，采用多元逐步回歸和判別分析法建立了巖體基本質(zhì)量指標(biāo)表達(dá)式：

式中，σcw為巖石單軸（飽水）抗壓強度（MPa），可按照σcw=(20～25)Is(50)計算。本次試驗計算結(jié)果為79.89 MPa；Kv為巖體完整性系數(shù)。

當(dāng)σcw＞90Kv+30時，以σcw=90Kv+30代入該式，求BQ的值；

當(dāng) Kv＞0.04σcw+0.4 時，以 Kv=0.04σcw+0.4 代入該式，求BQ值。

通過巖體的節(jié)理密度可以計算出巖體的完整性系數(shù)，再根據(jù)式（1）可以計算測點巖體的BQ值。巖體的穩(wěn)定性，不僅受到巖體質(zhì)量的影響，還受巖體軟弱結(jié)構(gòu)面、礦井地下水、原巖天然應(yīng)力的影響，應(yīng)結(jié)合礦柱回采工程特點，考慮各影響因素來修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，作為不同工程巖體分級的定量依據(jù)。修正后的BQ值和巖體質(zhì)量分級見表3。

通過表3可以看出，阿爾哈達(dá)鉛鋅礦巖體按質(zhì)量分級主要為III級；考慮雨季降水、軟弱結(jié)構(gòu)面及天然應(yīng)力影響，按照巖體穩(wěn)定性分級則為IV級，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎。

表3 阿爾哈達(dá)鉛鋅礦巖體質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié) 論

本文針對錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司充填法采場礦柱回采方案設(shè)計問題，提供采場巖體分級及穩(wěn)定性研究，初步得出以下結(jié)論：

（1）基于現(xiàn)場點荷載試驗獲得了720 m至925 m中段巖體及礦石的單軸抗壓和抗拉強度等基本力學(xué)參數(shù)；

（2）應(yīng)用結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別系統(tǒng) ShapeMetriX 3D對740水平及788水平中段巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析，得到了結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、跡長和體密度等基本信息；

（3）對巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分級，巖體按質(zhì)量分級主要為III級，在考慮雨季降水、破碎帶的影響，局部巖體的穩(wěn)定性等級為IV級，巖體結(jié)構(gòu)較破碎，穩(wěn)定性較差。